(57)【要約】【課題】外壁反射波が超音波振動子に入射しないようにし、正規の受信信号のみを受信し、測定精度を高める。【解決手段】管体１３の上流側と下流側には、振動子ケース１４ａ、１４ｂにそれぞれ収納された超音波振動子１５ａ、１５ｂが対向して配置されている。超音波振動子１５ａから１５ｂへの超音波ビームは、管体１３の内壁反射点Ａ、Ｂでの反射を経て到達するようにされている。内壁反射点Ａ、Ｂの近傍の管体１３は肉厚部１６ａ、１６ｂとされている。超音波振動子１５ａから発信された超音波ビームＷａは流体を横切り内壁反射点Ａで反射され、再び流体を横切り反射点Ｂで反射されてから、また流体を横切り超音波振動子１５ｂで受信される。しかし、内壁反射点Ａ、Ｂを通過し、肉厚部１６ａ、１６ｂ内に直進した超音波ビームＷａ’は、振音波振動子１５ｂで受信されることはない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定すべき流体を流す測定用管体と、該管体の流体の流れ方向上流側と下流側にそれぞれ取り付け前記管体内の流体を斜めに横切り内壁反射点で反射させて超音波ビームを伝播させる１対の超音波振動子と、前記管体の少なくとも１個所の前記内壁反射点の近傍に前記管体とほぼ同材質の肉厚部とを備えたことを特徴とする超音波流量計の検出部。
【請求項２】
前記管体の管路断面を矩形状とし、前記管体の管壁内平面に前記内壁反射点を設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計の検出部。
【請求項３】
前記超音波振動子を矩形状として、前記反射点において前記超音波ビームを線状に反射させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計の検出部。
【請求項４】
前記肉厚部は前記管体と別体とし、前記管体に外側から接合したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計の検出部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路用管体の口径が小さい場合に好適に使用し得る超音波流量計の検出部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流路用管体の流れ方向上流側及び下流側の外側に１対の振動子を取り付け、この管体内を流れる流体を斜めに横切って超音波ビームを伝播させ、それぞれ上流向け及び下流向けの超音波伝播時間の差から、流体の流量を計測する時間差方式超音波流量計は所謂クランプオン形流量計として、呼び径２５ｍｍ以上の管路の流量測定において既に実用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この超音波流量計を２０ｍｍ以下の小口径管路の流量計測に適用しようとすると、流体中の超音波経路長が短いため、得られる時間差が小さく、安定な流量計測が困難である。この対策として、超音波ビームを管路内壁の１個所〜３個所において反射させて超音波経路長を２〜４倍にする方法も知られている。
【０００４】
しかし、この対策によると別の問題が生じ、反射点の近傍において管壁内に屈折した超音波ビームの一部は、管外壁において内方に反射する所謂外壁反射波が生じ、再び流体内を伝播して最終的には受信側振動子により受信されることになる。この外壁反射波が、内壁反射波のみを受けた正弦状バースト波である受信信号に混入すると、管路の口径が小さく、また肉厚が小さくなるにつれて両者の時間差は少なくなり、両者の識別が困難になる。つまり、受信波形の構成要素が複雑となり、このために伝播時間の正確な計測が困難になる。
【０００５】
図５はこの現象の説明図であり、管体１を内径１３ｍｍのＪＩＳ硬質塩化ビニール管とした例であり、超音波ビームを振動子の中心を通る折線で代表すれば、実線で示す正規波は一方の超音波振動子２ａから管体１内に入り、２回の内壁反射を経て他方の振動子２ｂで受信される。その他に、一点鎖線で示す１回の内壁反射と１回の外壁反射を受ける波と、二点鎖線で示す２回の外壁反射を受ける波とが振動子２ｂに受信される。
【０００６】
このときの受信波形は、図６に示すように３種類の波が順次に短い間隔で重なることになり、波形構成が複雑なものとなる。
【０００７】
通常は、受信時刻の決定に基準電圧とコンパレータを使用し、受信波の振幅が閾値である基準電圧を超えた時点をコンパレータにより検知し、検知後の最初のゼロクロス点をもって所要の伝播時間とする方法を採用している。しかし、伝播経路長が短く受信波形が圧縮されて構成が複雑であると、基準電圧の取り方により正規波を検知するか、外壁反射波を検知するかが不定になる虞れがある。更に、外壁反射波は超音波ビームが流体に入る屈折角が正規波と異なり、スパン誤差を伴うので、正確な流量測定が困難となる。
【０００８】
更に、管体１内での伝播経路長を大きくするために、超音波ビームの反射回数を多くすると、受信強度が低下する問題があり、特に小口径管の場合にその低下が著しい。
【０００９】
本発明の目的は、上述の課題を解決し、一方の超音波振動子から発信した超音波ビームの外壁反射波が相手側の超音波振動子に入射しないようにして、正規波のみを受信可能とした測定精度の高い超音波流量計の検出部を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するための本発明に係る超音波流量計の検出部の技術的特徴は、測定すべき流体を流す測定用管体と、該管体の流体の流れ方向上流側と下流側にそれぞれ取り付け前記管体内の流体を斜めに横切り内壁反射点で反射させて超音波ビームを伝播させる１対の超音波振動子と、前記管体の少なくとも１個所の前記内壁反射点の近傍に前記管体とほぼ同材質の肉厚部とを備えたことにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る超音波流量計の検出部によれば、伝播経路長が短くとも、受信波形の構成が単純になり、小口径流量の測定精度を容易に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は実施例１の超音波流量計の検出部の構成図である。この超音波流量計の検出部は検出ユニット１１として、測定すべき流体が流れる円形管路の本管１２ａ、１２ｂの間に挿入されている。合成樹脂等から成りる本管１２ａ、１２ｂに溶着により接合された管体１３の上流側と下流側には、振動子ケース１４ａ、１４ｂにそれぞれ収納された超音波振動子１５ａ、１５ｂが対向して配置されている。超音波振動子１５ａから１５ｂへ、或いは超音波振動子１５ｂから１５ａへの超音波ビームは、管体１３の２個所の内壁反射点Ａ、Ｂでの反射を経て到達するようにされている。そして、これらの反射点Ａ、Ｂの近傍の管体１３の管壁は、外側に厚みを大きくした肉厚部１６ａ、１６ｂとされている。
【００１４】
測定に当って、例えば超音波振動子１５ａから発信された超音波ビームＷａは管体１３内の流体を横切り内壁反射点Ａで反射され、再び流体を横切り反射点Ｂで反射されてから、また流体を横切り振動子１５ｂによって受信される。しかし、反射点Ａ、Ｂを通過し、肉厚部１６ａ、１６ｂ内に屈折して進行した超音波ビームＷａ’は、いずれ肉厚部１６ａ、１６ｂと他部材との境界面で反射されるものの、振動子１５ｂで受信されることはない。また、超音波振動子１５ｂから振動子１５ａに向けて発信される超音波ビームについても同様である。
【００１５】
従って、超音波振動子１５ｂが受信する波形は、図２に示すように正規の超音波ビームによる構成要素が単純な本来の受信信号のみとなる。
【００１６】
本実施例によれば、受信波形に対応する流体への屈折角は一定となり、例えばコンパレータを利用して波形のどの部分を検出しても正確なスパンが得られる。受信波形の立ち上がり時点と、検出したゼロクロス点との間の時間差を算出して補正すれば、更に高い精度で伝播時間を計測することも可能である。
【００１７】
また、複数回反射させる場合であっても、１個所の内壁反射点の管壁の厚みのみを大きくすることによっても、従来例と比較すれば効果はある。
【００１８】
ここで、上述の超音波振動子１５ａ、１５ｂの取付部の管壁の厚みについて言及すると、一般に時間差方式超音波流量計においては、両振動子１５ａ、１５ｂ間を伝播するために要する全伝播時間から、固定分即ち振動子ケース１４ａ、１４ｂ及び管壁内を伝播する時間を差し引いて、超音波が流体中を伝播する時間を求める。流体中の伝播経路長を、この時間で除して流体の音速を得て、所謂音速補償を行うことが常である。対象口径が小さいときには全伝播時間が小さいので、上述の固定分も極力小さくすることが、測定精度の向上に不可欠である。即ち、振動子ケース１４ａ、１４ｂの寸法と共に上述の振動子取付部の厚みも小さくすることが望ましい。
【００１９】
また、内壁反射点Ａ、Ｂの近傍の肉厚部１６ａ、１６ｂの厚みを大きくする度合いは、流体の音速や組み合わせる変換器の識別能力を勘案して決定されるが、肉厚部１６ａ、１６ｂ内に進行する超音波ビームが振動子に戻ってこないようにするためには、振動子１５ａ、１５ｂの取付部の管厚の少なくとも２倍程度の厚みが必要である。また、肉厚部１６ａ、１６ｂにおける管軸方向長さは、例えば呼び径２０ｍｍ以下の場合に余裕を持たせて、内壁反射点Ａ、Ｂの前後±５ｍｍ程度は必要である。
【００２０】
なお、検出ユニット１１に市販の円形管体を用いる場合には、図３に示すように管体１３の外周に、密着可能な形状を有し、管体１３との境界部で反射が生じないように、音響的に管体１３とほぼ類似した材料のブロックから成る肉厚部１７を、例えばグリースのような音響結合材を介して接合すれば、一体とした場合と同様の作用効果が得られる。なお図３においては、内壁反射点を１個所としているが、図１に示すように２個所の場合には、管体１３の上下にそれぞれ肉厚部１７を取り付ければよい。
【実施例２】
【００２１】
図４は実施例２の検出ユニット２１の構成図であり、管体２２の管路断面は矩形状とされている。そして、超音波振動子２３ａ、２３ｂが図示しない振動子ケースに納められて、管体２２の上下にそれぞれ取り付けられている。
【００２２】
超音波振動子２３ａ又は２３ｂから発信された超音波ビームは、管体２２内は管軸に直角な方向に均一となり、内壁反射点Ａ、Ｂにおいて線状に反射されることになる。そして、反射点Ａ、Ｂ近傍の管体２２に設けた肉厚部２４ａ、２４ｂの厚みが振動子２３ａ、２３ｂ付近の管厚に拘わらず大きくされていることは、実施例１の場合と同様である。
【００２３】
一般に、小口径管路では流体内の超音波伝播路が短く、伝播時間も小さい。従って、測定精度を上げるためには管内でのビームの反射回数を多くする必要がある。しかし、口径が小さく管路断面が円形の場合に、反射による超音波ビーム強度の低下が著しい。この原因は管路断面の曲率の影響であり、振動子に対面する内面直径上のごく一部のみが有効に反射に関与するに過ぎないためである。
【００２４】
本実施例２においては、内壁反射点Ａ、Ｂで管体２２の全幅に渡って有効に反射が行われるので、超音波ビームの強度の低下は遙かに少なくなり、測定精度の確保に有効である。
【００２５】
なお実施例２において、図４に示した例では超音波振動子２３ａ、２３ｂとし、矩形状のものを使用しているが、これに限らず円板状の振動子を使用することも可能である。この場合に、振動子は管路断面の矩形辺に平行な直線を含むように取り付ければ、ビーム強度の管軸方向の均一性は失われるものの、矩形状振動子に類似した効果が得られる。
【００２６】
実施例においては、流路用管体１３、２２の外側に振動子を取り付けた例を示したが、所謂インライン形と呼ぶ振動子を管体内部に取り付けた形式の流量計にも有効に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１の構成図である。
【図２】得られる受信信号波形図である。
【図３】実施例１の変形例の構成図である。
【図４】実施例２の構成図である。
【図５】従来の伝播時間差方式超音波流量計の検出器である。
【図６】従来の検出器により得られる受信信号波形である。
【符号の説明】
【００２８】
１１、２１  検出ユニット
１２ａ、１２ｂ  本管
１３、２２  管体
１４ａ、１４ｂ  振動子ケース
１５ａ、１５ｂ、２３ａ、２３ｂ  超音波振動子
１６ａ、１６ｂ、１７  肉厚部
Ａ、Ｂ  内壁反射点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007033115.tif 000007
【図６】
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